DE19526917A1

DE19526917A1 - Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente

Info

Publication number: DE19526917A1
Application number: DE1995126917
Authority: DE
Inventors: Martin Prof Dr Fiebig; Nima Kumar Prof Dr Mitra; Holger Dipl Ing Neumann; Armin Dipl Ing Eichholz; Jens Dipl Ing Bergmann; Harald Dipl Ing Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-22
Filing date: 1995-07-22
Publication date: 1997-01-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steigern des Wärmeüberganges in einer turbulenten Strömung zwischen einer Wand und einem Wärmeträgerfluid, das an der Wand entlangströmt, wobei die Konvektion im wandnahen Bereich durch Erhöhung des Turbulenzgrades und durch Austausch von wandnahem Fluid durch Fluid im Kernbereich der Strömung mittels induzierter Längswirbel erhöht wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Der Wärmeübergang im wandnahem Bereich turbulenter Strömungen beruht im wesentlichen auf den Transportmechanismen der molekularen Diffusion, also der Wärmeleitung, welche von den Stoffeigenschaften abhängt, und der turbulenten Konvektion, also der Verwirbelung, welche vom Turbulenzgrad abhängt. Häufiges Ziel von Strömungsmanipulationen durch Einbauten ist es, den Wärmeübergangskoeffi zienten zu erhöhen, um dadurch bestimmte Fluid- und/oder Materialtemperaturen zu erreichen. Hierbei ist zu beachten, daß sämtliche Strömungsmanipulationen durch Ein bauten auch die Strömungsverluste bzw. die notwendige Pumpleistung erhöhen. Das Ziel besteht also in der optimalen Gestaltung der Einbauten, die bei gegebener Wärmeabfuhr einen möglichst kleinen Druckverlust erzeugen und damit die notwendi ge Pumpleistung minimieren.

Aufgrund der starken Quervermischung im Kernbereich einer turbulenten Strömung, liegt der thermische Widerstand in erster Linie in der viskosen Unterschicht der Strö mung. Wärmeübergangssteigernde Einbauten sollten also geringfügig höher sein, als die viskose Unterschicht dick ist, um eine Vermischung zwischen der Kernströmung und der viskosen Unterschicht zu bewirken. Die Dicke der viskosen Unterschicht kann in einer hydrodynamisch vollentwickelten turbulenten Strömung mit einem Wert kleiner fünf, gebildet aus dem Produkt des Wandabstandes mit dem Kehrwert der kinemati schen Viskosität und mit der Wurzel aus der Wandschubspannung dividiert durch die Dichte, angegeben werden. Bei Einbauten mit bis zu einer geringfügig größeren Höhe als der Dicke der viskosen Unterschicht spricht man auch von Rauhigkeitselementen. Neben homogener Rauhigkeit, wie der Sandrauhigkeit, gibt es die strukturierte oder auch diskrete Rauhigkeit.

Die Erfindung stellt demnach eine strukturierte Rauhigkeitsform dar, bei der die Rauhigkeitselemente durch Anbringen, Ausprägen oder Ausstanzen an der wärme übertragenden Wand positioniert werden.

Die Erfindung nach den Ansprüchen 1-5 hat dementsprechend die Aufgabe durch Turbulenzanregung in der viskosen Unterschicht und durch Längswirbel, welche in die Strömung induziert werden und wandnahes Fluid aus der viskosen Unterschicht mit wandfernen Fluid aus dem Kernbereich der turbulenten Strömung austauschen, den Wärmeübergang zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, daß die induzierten Längswirbel im zeitlichen Mittel sehr stabil sind und weit in die Kernströmung reichen. Die Längswirbel entstehen durch Ablösung der Strömung entlang der Seitenkante eines Rauhigkeitselements, hervorgerufen durch die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite des Rauhigkeitselementes. Aufgrund der Schräganstellung des Rauhig keitselementes zur Strömung bildet sich ein Längswirbel aus, das heißt, daß die Wirbelachse näherungsweise in Strömungsrichtung weist.

Bei einer Anstellung des Wirbelerzeugers quer zur Strömung, also mit einem Anstell winkel von 90° würde sich ein Querwirbel bilden, bei dem die Wirbelachse quer zur Hauptströmungsrichtung verläuft.

Aufgrund der Schräganstellung der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente zur Hauptströmungsrichtung, ihrer geringen Höhe und der Verwendung vorzugsweise möglichst dünner Platten, ergibt sich nur eine sehr kleine Staudruckfläche, so daß die Strömungsverluste durch die Verminderung des Formwiderstandes im Vergleich zu Querrippen wesentlich kleiner sind. Weiterhin werden aufgrund der Längswirbel die Rückströmgebiete und damit die Strömungsverluste im Vergleich zu Querwirbeln wesentlich reduziert. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Längswirbelerzeuger bei konstantem Volumenstrom nicht nur einen geringeren Druckverlust, sondern auch einen höheren Wärmeübergang gegenüber Querrippen erzielen.

Bekannt sind Längswirbelerzeuger in Rechteckform (EP 0 530 721), die allerdings aufgrund ihrer Größe von 0,5-0,6 des Abstandes zwischen der wärmeübertragenden Wand und der Gegenfläche für den Einsatz in turbulenten Strömungen ungeeignet sind, da das Verhältnis von Wärmeübergang zu Strömungsverlust gegenüber längs wirbelerzeugenden Rauhigkeiten wesentlich kleiner ist. Weiterhin sind diese Längs wirbelerzeuger im Vergleich zu den hier angesprochenen bezogen auf ihre Höhe e kürzer. Bei diesen Wirbelerzeugern zeigt sich, daß sie eine besonders hohe Steige rung des Wärmeüberganges an der gegenüberliegenden Wand bewirken.

Die Erfindung weist demgegenüber folgende erfindungswesentliche Unterschiede auf:
Die Wirbelerzeuger besitzen eine Höhe von bis zu 5% des Wandabstandes der gegenüberliegenden Wände und verursachen dementsprechend wesentlich geringere Strömungsverluste als die Wirbelerzeuger nach EP 0 530 721.

Erst ab einer Höhe der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente von 5% des Wandabstandes der gegenüberliegenden Wände zeigt sich ein wärmeüber gangssteigernder Einfluß an der gegenüberliegenden Wand. Der wärmeüber gangssteigernder Einfluß findet jedoch selbst dann immer noch primär an der Wand statt, an der die Wirbelerzeuger befestigt sind.

Während die Ausdehnung der Wirbel bei den Wirbelerzeugern nach EP 0 530 721 durch die gegenüberliegenden Wände begrenzt wurde, können sich die Wirbel der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente ausdehnen ohne durch Reibung an der gegenüberliegenden Wand zu dissipieren.

Durch ihre größere Streckung verursachen sie bezogen auf die Höhe der Rauhigkeitselemente einen stärkeren Wirbel als die Wirbelerzeuger nach EP 0 530721.

Während die Wirbelerzeuger nach EP 0 530 721 in erster Linie in laminaren Strömungen eingesetzt werden, den Turbulenzgrad nicht erhöhen sollen und der wärmeübergangssteigernde Mechanismus auf die Umlenkung der Strömung mit einer resultierenden Spülungswirkung an der wämeübertragenden Wand beruht, werden die längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente der Erfindung in turbulenten Strömungen eingesetzt, wobei die wärmeübertragenden Mecha nismen auf eine Erhöhung des Turbulenzgrades in der wandnahen viskosen Unterschicht und eines Fluidaustausches von Kernströmung und wandnaher Strömung in der viskosen Unterschicht durch Längswirbel beruhen.

Weiterhin sind Tütenwirbelgeneratoren nach DE-OS 37 39 619 bekannt, die ebenfalls im Vergleich zu der Erfindung relativ groß gegenüber den Wandabständen sind. Für diese Tütenwirbelgeneratoren gilt prinzipiell das gleiche wie für die Längswirbelerzeu ger nach EP 0 530 721.

Längswirbelerzeuger für ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 besitzen eine saugseitige Ausstanzung, die sich im Vergleich zu einer druckseitigen Ausstanzung nach eigenen Untersuchungen als weniger effektiv erwiesen hat. Die Erfindung weist demnach im Falle einer Ausstanzung und Umbiegung der Längswirbelerzeuger für eine normale Ausrichtung zur wärmeübertragenden Oberfläche gemäß Anspruch 1 bis 3 eine druckseitige Ausstanzung auf. Weiterhin besitzen die Längswirbelerzeuger für ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 eine Höhe die gleich dem Rippen abstand, also dem Abstand der gegenüberliegenden Wände ist, so daß hier noch verstärkt das gleiche wie für die Längswirbelerzeuger nach EP 0 530 721 gilt. Ein weiterer erfindungswesentlicher Unterschied der Erfindung zu Längswirbelerzeugern für ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 besteht in der Anordnung. Wäh rend die Längswirbelerzeuger nach DE 37 37 217 als einzelne Wirbelerzeuger zu betrachten sind, die gleichgerichtet auf der wärmeübertragenden Oberfläche aufge bracht sind und somit gleichsinnig rotierende Längswirbel erzeugen, beruht die Erfindung gemäß der Ansprüche 1 bis 5 auf eine periodische Anordnung, die durch die in Strömungsrichtung divergierende Anstellung der einzelnen Wirbelerzeuger in nerhalb einer Periode ein gegensinnig rotierendes Wirbelpaar in die viskose Unter schicht induzieren, deren gemeinsames zur Wand gerichtetes Strömungsfeld in der Mitte einer Periode zu einer starken Erhöhung der Wärmeübertragung führen, wie sie bei einzelnen Wirbelerzeugern nicht auftreten.

Einsatzgebiete der Erfindung finden sich zum Beispiel in den Kühlungskanälen von Gasturbinenschaufeln bei Konvektionskühlung. Meist werden hier durchgehende Rippen mit näherungsweise quadratischem Querschnitt eingesetzt. Abb. 6 zeigt eine Turbinenschaufel nach DE 32 48 163, wobei die 90°-Auslöserippen durch längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente ersetzt wurden. Hierdurch kann eine wesentliche Verbesserung im zweiten und dritten Kühlungsdurchlaß anstelle der dort vorgesehen 90°-Auslöserippen hinsichtlich Wärmeübergang und Druckverlust erzielt werden.

Da die Rippen in Turbinenschaufeln gegossen werden, können spezielle Querschnitts formen entsprechend Anspruch 5 entstehen. Die gegossenen Längswirbelerzeuger sollten vorzugsweise sehr dünn sein, bzw. ihre Dicke δ sollte nicht größer als die Höhe e entsprechend Anspruch 1 sein. Durch die Erfindung kann bei gleichem Druck verlust die Wärmeübertragung gesteigert werden und somit die Schaufeltemperatur gegenüber der Kühlung durch die herkömmlich eingesetzten 90°-Auslöserippen gesenkt werden.

Weitere Einsatzgebiete der Erfindung finden sich in Platten- und Rippenrohrwärme tauschern, Regeneratoren und in Kondensatoren bei denen turbulente Strömungen auftreten.

Neben den Einsatz der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente in Kanälen, können sie auch in Ringspalten eingesetzt werden. Als Beispiel sei hier die Ver brennungsluftvorwärmung in Gasbrennern genannt, wo die Verbrennungsluft durch einen Ringspalt strömt bevor sie sich mit dem Brennstoff vermischt.

Schließlich sei noch die Kühlung nuklearer Brennelemente in Form einer turbulenten Ringspaltströmung erwähnt. Auch hier werden meist 90°-Rippen zur Kühlung ver wendet. Die Erfindung kann hier bei gleichem Druckverlust eine höhere Wärme übertragung erzielen.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung finden sich in den Abb. 1 bis 5 wieder. Abb. 6 stellt ein konkretes Anwendungsbeispiel dar:

Abb. 1: Längswirbelerzeugende Rauhigkeiten nach Anspruch 1 in periodischer Anordnung mit Periodenbreite B_p und Periodenlänge L_p bei zweiseitiger Belegung. Da diese Rauhigkeitselemente kaum einen Einfluß auf die gegenüberliegende Wand haben, ist auch eine einseitige Belegung sinnvoll, sofern die Wärme nur an einer bzw. von einer Wand abgege ben wird.

Abb. 2: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1,

Abb. 3: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente nach Anspruch 2,

Abb. 4: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente nach Anspruch 4,

Abb. 5: Unterschiedliche Querschnittsformen für die längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 5 mit:

1 rechteckige Querschnittsform
2 dreieckige Querschnittsform
3 sinusförmige Querschnittsform
4 halbrunde Querschnittsform
5 Querschnittsform mit abgerundeten Kanten entsprechend auch Anspruch 3,

Abb. 6: Ansicht einer Laufschaufel einer Gasturbine entsprechend Fig. 1 des Patentes DE 32 48 163 mit längswirbelerzeugenden Rauhigkeiten (1) im zweiten und dritten Kühlungsdurchlaß anstelle der dort vorgesehenen 90°-Rippen.

Claims

1. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente als schräg zur Strömungsrichtung, sägezahnförmig unterbrochene, periodisch angeordnete, rechteckige Platten für natürliche und/oder erzwungene Konvektion, dadurch ausgezeichnet, daß die Platten auf ihrer Länge vorzugsweise normal auf die Wärmeübertragungsfläche aufgebracht bzw. normal zu ihr geprägt oder druckseitig ausgestanzt und umgebogen wurden, einen Anstellwinkel β zur Strömung zwischen 30° und 65° besitzen, eine prozentuale Höhe e/H von 2% bis 5% bezogen auf den Abstand zur gegenüberliegenden Wand haben, eine vorzugsweise möglichst geringe Dicke δ haben, die maximal der Größe der Plattenhöhe e entsprechen kann, einen Periodenabstand L_p zwischen der 5- bis 15fachen Höhe der Platten e haben, eine 3- bis 6fache Länge l der Höhe der Platten e haben und quer zur Strömungsrichtung einen gleichbleibenden Abstand s zwischen den einzelnen in Strömungsrichtung diver gierend angeordneten Winglets haben. (Abb. 1 und 2).

2. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1, dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zum Anspruch 1 keine rechteckige Form, sondern eine dreieckige haben, deren Gratkante in Strömungsrichtung ansteigt. (Abb. 3).

3. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zum Anspruch 1 und 2 abgerundete bzw. abgeschrägte Anström- und/oder Ablösekanten haben.

4. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zu den Ansprüchen 1 und 2 quer zur Strömungsrichtung verbunden sind, so daß eine nicht unterbrochene sägezahnförmige Anordnung entsteht. (Abb. 4).

5. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zu den Abb. 1 bis 4 eine dreieckige, sinusförmige, halbrunde oder mit abgerundeten Kanten rechteckige Querschnitts form besitzen. (Abb. 5).